1.1.1 雷达的基本原理

雷达（Radar）一词是Radio Detection and Ranging的缩写，意为无线电探测与测距。雷达的基本原理是通过发射电磁信号，接收来自其威力范围内目标的回波，并从回波信号中提取出位置和其他信息，以用于目标探测、目标定位和目标识别。

1.雷达系统的原理框图

雷达的基本原理可以用脉冲雷达的组成来说明，如图1.1所示。发射机产生足够的电磁能量，经过双工器或收发转换开关传送给天线。天线将这些电磁能量辐射至空间中，集中在某一个方向上形成波束，向前传播。当波束遇到目标后，将沿着各个方向反射，其中一部分电磁能量反射回雷达的方向，被天线获取。天线接收的能量经过双工器或收发转换开关送到接收机，形成回波信号。在传播过程中，电磁波会随着距离衰减，因此雷达回波信号往往非常微弱，甚至几乎被噪声淹没。接收机放大微弱的回波信号，经过信号处理机，提取出包含在回波中的信息，送到监视器，显示出目标的距离、方向、速度等信息。

一般情况下，雷达通常只需测定目标的方位、仰角和距离，但需要指出的是，回波信号也包含目标特性等方面的信息，这也可用于目标识别。图1.1中所示的监视器可以显示接收机的输出，根据监视器的显示可判断目标的存在与否。不过这种判断方法在现代雷达系统中已经退化为辅助手段。当前，使用最多的是利用自动检测和跟踪设备对接收机的输出进行处理，以便实时判断目标的存在与否，并根据发现目标后一段时间内的检测，建立目标航迹。使用自动检测和跟踪设备时，雷达操纵员需要掌握处理后的目标航迹，而不是原始雷达检测信号，这显著提升了雷达系统的自动化程度，大幅减少了操纵人员配备。

2.雷达的测量原理

雷达的测量原理是基于对回波信号特征的提取，从中获得目标的位置、速度及其他信息。通过测量回波信号的时间延迟可得到目标的距离，而目标的方位可通过方向性天线测量回波信号的到达角来确定。如果是动目标，雷达还可利用多普勒效应测得目标的移动速率，并且推导出目标的运动轨迹。

1）目标距离的测量

为了测定目标到雷达的距离，需要准确测量电磁波从发射、目标反射到接收整个过程的时间延迟Δt。Δt也就是电磁波在雷达与目标之间往返所花费的时间。测得Δt后，通过简单计算可获得雷达到达目标的距离R：

式中，c为真空中电磁波的速度3×108 m/s；因子1/2是考虑电磁波往返的时间延迟。

2）目标角位置的测量

目标角位置的测量是利用天线的方向性来实现的。雷达利用波束内的目标与天线主轴的角度偏移生成一个误差信号。角度偏移一般从天线的主轴开始测量，因此得到的误差信号可表征目标偏离波束主轴的程度。实际测量时，通过波束扫描标定出雷达波束与目标垂直时的零误差信号，即可计算出目标的角位置。需要指出的是，两坐标雷达只能测定目标的方位角，三坐标雷达则可以测定方位角和俯仰角。此外，目标的角位置还可以通过测量两个分离接收天线收到的信号的相位差来获得。

3）目标速度的测量

雷达基于多普勒频移可获取目标的径向运动速度，以及分辨杂波、静止物体和运动物体。多普勒现象可以描述为：当目标和雷达之间存在相对运动时，目标回波的频率会发生改变。该频率的改变量称为多普勒频移，其数值取决于目标的径向速度vr，即

当目标面对雷达飞行时，多普勒频移为正；当目标背向雷达飞行时，多普勒频移为负。从式（1.2）可看出，只需测得多普勒频移fd，即可计算得到目标的径向运动速度vr。

4）目标尺寸和形状

当雷达具有足够高的分辨率时，能识别目标尺寸和形状的某些特性。因此，雷达除了用于目标探测和定位外，还可用于目标识别。雷达分辨率包括距离分辨率、角度分辨率和横向距离分辨率。距离分辨率要求雷达具有大的瞬时带宽，角度分辨率取决于天线波束在方位与俯仰角上的半功率点宽度。在横向尺度上，雷达获得的分辨率通常不如其在距离上获得的分辨率高。但是当目标的各个部分与雷达间存在相对运动时，可运用多普勒频移固有的分辨率来分辨目标的横向尺寸[2]。

3.雷达方程与作用距离

作用距离是雷达的一个主要战术指标，该指标的计算按雷达方程进行。雷达方程除了用于计算作用距离外，还可用来表征雷达各分系统指标对雷达系统性能的影响。雷达方程在很大程度上反映了雷达战术指标与雷达技术指标之间的联系。

雷达方程将作用距离和发射、接收、天线和环境等因素联系了起来。根据雷达方程，雷达能探测的最远距离Rmax为

式中，Pt为发射机的峰值功率；Gt为发射天线增益；σ为目标的雷达截面积；Ar为接收天线的有效面积；Ls为雷达系统的损耗；Smin为最小可探测信号。

此外，雷达方程还有其他几种表现形式，具体可参考雷达手册[3]。需要指出的是，雷达方程可以正确反映雷达各参数对作用距离影响的程度，但不能充分反映实际雷达的性能，因为许多影响作用距离的环境和实际因素在雷达方程中并没有体现。